Strahlungsmessung und Dosimetrie

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1 Hanno Krieger Strahlungsmessung und Dosimetrie STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis Abschnitt I: Strahlungsdetektoren 1 Überblick über Messaufgaben und Strahlungsdetektoren Aufgaben der Strahlungsmessung Anforderungen an die Strahlungsmessungen Überblick über die Detektorarten 21 2 Detektoren mit Gasfüllung Ionisationskammern Funktionsweise von Ionisationskammern Bauformen von Ionisationskammern Detektoren mit Gasverstärkung 40 Aufgaben 54 3 Theorie der Ionisationskammern* Thermische Diffusion und Beweglichkeiten der Ladungen im Füllgas* Ladungsaustausch und Rekombination* Grundzüge der Rekombinationstheorie* 63 Aufgaben 74 4 Festkörperdetektoren Das Bändermodell für Festkörper Ideale und reale Kristalle Anregung von Festkörpern Halbleiter Halbleiter-Ionisationsdetektoren Leitfähigkeitsdetektoren Lumineszenzdetektoren Szintillatoren Leuchtschirme und Leuchtfolien 97

3 8 Inhaltsverzeichnis Thermolumineszenz-Detektoren Radiophotolumineszenz-Detektoren 100 Aufgaben Weitere Detektorarten Chemische Detektoren Elektronenspinresonanz Filmemulsionen Transmission und optische Dichte Messung der optischen Dichte Kalorimeter Lyolumineszenz Exoelektronenemission Flüssigkeits-Ionisationsdetektoren 118 Aufgaben Messreihen und Messfehler Eigenschaften von Messreihen Maßzahlen zur Beschreibung von Messreihen Die Lagemaße Die Streumaße Statistische Modelle für Zufallsexperimente Die Binomialverteilung Die Poissonverteilung Die Gaußverteilung Anwendungen auf die Messung der Radioaktivität Anwendung auf die Verteilung von Zeitintervallen Fehlerfortpflanzung Summe oder Differenz von Messwerten Multiplikation oder Division mit einer Konstanten Multiplikation oder Division von Messergebnissen Varianz und Mittelwertbildung bei unabhängigen Ergebnissen Fehlergewichtete Mittelwerte Typische Anwendungen der Fehlerfortpflanzung 152

4 Inhaltsverzeichnis Totzeiten 155 Aufgaben 163 Abschnitt II: Konzepte und Verfahren der Dosimetrie 7 Aufgaben und Genauigkeit der klinischen Dosimetrie Aufgaben der klinischen Dosimetrie Anforderungen an die Genauigkeit der klinischen Dosimetrie Strahlungsfelder und Strahlungsqualitäten Strahlungsfeldgrößen* Charakterisierungen der Strahlungsqualität Strahlungsqualitäten von Photonenstrahlungen Strahlungsqualitäten weicher und harter Röntgenstrahlung Strahlungsqualität ultraharter Röntgenstrahlung Strahlungsqualitäten von Elektronenstrahlung und Betastrahlungen Strahlungsqualität von Neutronenstrahlung Strahlungsqualität von Protonenstrahlung 191 Aufgaben Dosisgrößen Dosisgrößen der klinischen Dosimetrie Der Zusammenhang von Kerma und Teilchenfluenz* Spezielle Dosisgrößen in der bildgebenden Radiologie Dosisgrößen im Strahlenschutz 204 Aufgaben Strahlungsfeldbedingungen bei der Ionisationsdosimetrie Sekundärelektronengleichgewicht BRAGG-GRAY-Bedingungen Dosimetrische Konzepte Photonendosismessungen unter Elektronengleichgewicht 217

5 10 Inhaltsverzeichnis Messung der Standardionendosis Messung der Luftkerma Das Luftkermakonzept für Photonenstrahlung unter kev Das Wasserenergiedosiskonzept für Photonenenergien unter 3 MeV Photonendosismessungen unter BRAGG-GRAY-Bedingungen Die Q.-Methode für Photonenstrahlung* Das Wasserenergiedosiskonzept für Photonenstrahlung unter Hohl- 224 raumbedingungen 11.3 Elektronendosismessungen unter BRAGG-GRAY-Bedingungen Das Wasserenergiedosiskonzept für Elektronenstrahlung Die C E -Methode* Protonendosismessungen unter BRAGG-GRAY-Bedingungen Protonendosimetrie nach dem Luftkermakonzept Protonendosimetrie nach dem Wasserenergiedosiskonzept 231 Aufgaben Praktische Referenzdosimetrie mit Ionisationskammern Kammerpositionierung Messwertkorrekturen bei der praktischen Ionisationsdosimetrie Feldstörung, Feldverdrängung Luftdruck- und Temperaturkorrekturen Luftfeuchtekorrektur Polaritätskorrektur Sättigungskorrekturen Richtungsabhängigkeit der Dosimeteranzeigen Praktische Photonendosimetrie nach dem Wasserenergiedosiskonzept Dosimetrie weicher und harter Röntgenstrahlungen Dosimetrie ultraharter Photonenstrahlungen Elektronendosimetrie nach dem Wasserenergiedosiskonzept Protonendosimetrie nach dem Luftkerma- und Wasserenergiedosiskonzept Messung der Kenndosisleistung von Afterloadingstrahlern 277 Aufgaben 281

6 Inhaltsverzeichnis Dosimetrische Materialäquivalenz 283 Aufgaben Thermolumineszenzdosimetrie Thermolumineszenzdetektoren Praktische Aspekte der Thermolumineszenzdosimetrie 297 Aufgaben Hinweise zur klinischen Dosimetrie Gesetzliche Vorschriften Geräteausstattung für die Dosimetrie therapeutischer Bestrahlungsanlagen Erstdosimetrie an einem Elektronenlinearbeschleuniger Physikalische Qualitätssicherung in der Strahlentherapie Dosimetrische Qualitätskontrollen und Sicherheitsüberprüfungen Geometrische Kontrollen an Lokalisationseinrichtungen Qualitätssicherung am Bestrahlungsplanungssystem 325 Aufgaben 327 Abschnitt III: Dosisverteilungen 16 Dosisverteilungen perkutaner Photonenstrahlungen Absolute Dosisleistungen von Photonenstrahlungsquellen Definition und Messung der Kenndosisleistungen Feldgrößenabhängigkeit der Zentralstrahldosisleistungen Die Methode der äquivalenten Quadratfelder für ultraharte Photonen- 350 Strahlung Dosimetrie asymmetrischer Photonenfelder* Dosimetrie irregulärer Photonenfelder* Gültigkeit des Abstandsquadratgesetzes für die Kenndosisleistungen 364 perkutaner Photonenstrahlungsquellen 16.2 Tiefendosisverteilungen ultraharter Photonenstrahlungen Messung der Photonentiefendosisverläufe 374

7 12 Inhaltsverzeichnis Der Dosisaufbaueffekt von Photonen in Materie Entstehung der Phantomoberflächendosis Verlauf der Photonenenergiedosis in der Tiefe des Phantoms Weitere Tiefendosisgrößen Umrechnung der Tiefendosisgrößen* Dosisquerverteilungen Isodosendarstellung perkutaner Photonendosisverteilungen Auswirkungen von Inhomogenitäten auf die Photonendosisverteilungen Keilfilter für perkutane Photonenstrahlungen 423 Aufgaben Dosisverteilungen perkutaner Elektronenstrahlung Absolute Elektronendosisleistungen Elektronen-Tiefendosisverteilungen Messung der Tiefendosisverteilungen Einflüsse auf die Elektronentiefendosiskurven Isodosenverteilungen von Elektronenstrahlung Auswirkungen von Inhomogenitäten auf Elektronendosisverteilungen Berechnung der Elektronendosisverteilungen* 465 Aufgaben Dosisverteilungen um Afterloadingstrahler Kenndosisleistungen von Afterloadingstrahlern Charakterisierung der Strahlerstärke Messung der Kenndosisleistung von Afterloadingstrahlern Messung der Energiedosisverteilungen um ruhende Afterloadingstrahler Berechnung der Afterloading-Dosisverteilungen* Die Quantisierungsmethode* Eine empirische Näherungsformel zur Dosisleistungsberechnung* 486 Aufgaben 490

8 Inhaltsverzeichnis Dosisverteilungen perkutaner Neutronenstrahlung Dosimetrie von Neutronenstrahlung Energiedosisverteilungen von Neutronen in Wasser 495 Aufgaben Dosisverteilungen perkutaner Protonenstrahlungen Wechselwirkungsprozesse für Protonen Tiefendosisverteilungen von Protonen Feldgrößenabhängigkeit der Protonentiefendosiskurven Querprofile und Isodosen von Protonenfeldern Auswirkungen von Gewebeinhomogenitäten Aufbereitung des therapeutischen Strahlenbündels Strahlaufweitung Energievariation 526 Aufgaben 532 Abschnitt IV: Sonstige Messaufgaben 21 Spektrometrie, Aktivitäts- und Strahlenschutzmessungen Spektrometrie ionisierender Strahlungen Aktivitätsmessungen Personendosimetrie im Strahlenschutz Biologischer Nachweis einer Strahlenexposition Dosisleistungs- und Kontaminationsmessungen im Strahlenschutz 548 Aufgaben Messsysteme für die Bildgebung mit Röntgenstrahlung 55 ' 22.1 Detektoren für die Röntgenbildgebung Analoge Film-Verstärkungsfolien-Kombinationen Leuchtschirmverfahren Speicherfolien Selendetektoren 562

9 14 Inhaltsverzeichnis Digitale direkte Flachbild-Festkörper-Detektoren Bearbeitung der Rohdaten bei digitalen Systemen Dosisbedarf von Röntgendetektoren Empfindlichkeitsklassen von Film-Folien-Kombinationen Dosisindikator bei digitalen Detektorsystemen Funktionsprinzip der Computertomografie 575 Aufgaben Aufgabenlösungen Tabellenanhang Referenz-Strahlungsqualitäten und Vorschaltschichten Strahlungsqualitäten von Referenzstrahlungen Vorschaltschichten für die Weichstrahldosimetrie Korrekturfaktoren für die Hartstrahldosimetrie ( kv) Korrekturen bei Co-Kalibrierungen Korrekturen für von 10x10cm 2 abweichende Feldgrößen Umgebungskorrekturfaktoren für die Weichstrahl- und Hartstrahldosimetrie 602 für handelsübliche Ionisationskammern 24.4 Verhältnisse von Massenenergieabsorptionskoeffizienten für Photonen Faktoren zur Umrechnung der Standardionendosis in Luft- und Wasser- 606 Kerma für Photonenenergien bis 3 MeV 24.6 Faktoren zur Photonendosimetrie nach der Q.-Methode Verhältnisse von Massenstoßbremsvermögen für Sekundärelektronen hoch- 608 energetischer Photonenstrahlung für verschiedene Phantommaterialien 24.8 Bestimmung der wahrscheinlichsten Elektronen-Eintrittsenergie aus der 609 Reichweite in Wasser 24.9 Verhältnisse von Massenstoßbremsvermögen für Elektronen in Wasser und 610 Luft Kammerfaktoren zur Elektronendosimetrie Verhältnisse von Massenstoßbremsvermögen für monoenergetische Elek- 613 tronen Atomare Zusammensetzung verschiedener Gewebe, Phantommaterialien und 614 Dosimetersubstanzen Äquivalentfeldgrößen für Rechteckfelder für Anlagen zur Erzeugung ultra- 615 harter Photonenstrahlungen

10 Inhaltsverzeichnis Tiefendosisdaten für 60 Co-Gammastrahlung in Wasser Relative Tiefendosisverläufe in Wasser Gewebe-Luft-Verhältnisse für 60 Co-Gammastrahlung Tiefendosisdaten für X6-Photonenstrahlung in Wasser Relative Tiefendosisverläufe in Wasser Gewebe-Maximum-Verhältnisse für X6-Photonenstrahlung Tiefendosisdaten für X18-Photonenstrahlung in Wasser Relative Tiefendosisverläufe in Wasser Gewebe-Maximum-Verhältnisse für X18-Photonenstrahlung Literatur Lehrbücher und Monografien Wissenschaftliche Einzelarbeiten Gesetze, Verordnungen und Richtlinien zum Strahlenschutz gültig für die 643 Bundesrepublik Deutschland 25.4 Deutsche Normen zu Dosimetrie und Strahlenschutz Nationale und internationale Protokolle und Reports zu Dosimetrie und 660 Strahlenschutz 25.6 Wichtige Internetadressen 666 Sachregister 668